近日，东南大学物理学院肖磊教授团队及其合作者在量子精密测量领域取得重要进展，他们在无奇异点(Exceptional Point)的系统中实现了非厄米增强的传感，传感灵敏度较厄米系统提升了10.5倍。
高精度传感在现代科学发展中发挥着关键作用，大量的研究致力于提高传感灵敏度，开发新一代的传感装置。其中基于非厄米Exceptional Point (EP)的高精度传感受到广泛关注。EP是非厄米系统本征值和本征态都简并的点，它对扰动高度敏感，极其微小的扰动都会引起简并迅速劈裂，这一特性被广泛应用于EP增强的传感。然而，这类传感器依赖EP的存在，实验上需要精细调控使系统处于EP。非厄米增强的传感的本质是什么，EP是否为必要条件？这些问题还一直有待探索。
理论论文[Phys. Rev. Lett. 124, 020501 (2020)]给出无需EP的非厄米增强传感方案，设计了不存在EP的单比特赝厄米(Pseudo- Hermitian)传感模型，在动力学演化中发现系统的基态布居数对于待估计参量的变化异常敏感。同时还发现在不能被多次测量平均的噪声存在时，该方案较传统的Ramsy干涉仪具有抵抗噪声的优势。
图1 (a)增强传感示意图。(b)Population matching物理机制示意图。(c)实验装置图。
肖磊教授团队将上述方案进一步地推广到一般的非厄米系统，在量子光学系统中设计了环状结构演化装置，实现了普适的非厄米系统的动力学演化过程。他们通过精确调控使系统处于参数敏感的Population matching区域，测量到非厄米系统演化下的布居数较厄米系统对待估计参量更加敏感，灵敏度提升了5倍。同时，他们还设计了该传感方案的应用，以实验中的波片角度为待估计参量，观察到基态布居数对波片的微小变化也极度敏感，和厄米系统比较灵敏度提升了10.5倍。一般情况下测量过程中的噪声是不可避免的，它会限制传感器的性能。肖磊教授团队还研究了常见的背景噪声对非厄米传感装置的影响，发现在不能被多次测量平均的背景噪声存在的情况下，非厄米传感系统的测量不确定性明显小于厄米系统，展现了实验方案对抵抗噪声的优势。
无EP的非厄米增强传感揭示了非厄米增强传感的内在本质，开辟了利用非厄米特性实现量子增强传感的新途径。
该研究成果于2024年10月28日以“Non-Hermitian Sensing in the Absence of Exceptional Points(无奇异点的非厄米传感)”为题在Physical Review Letters发表[Phys. Rev. Lett. 133, 180801 (2024)]。该成果得到了国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和中国科学技术大学量子科技创新计划的支持。
原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.180801